Al6061板材冷軋與再結(jié)晶退火試驗(yàn)研究及材料微觀參數(shù)對(duì)表面粗糙度演變的影響.pdf

1、高精度鋁合金矩形管作為傳輸系統(tǒng)中微波傳導(dǎo)的主要介質(zhì)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、雷達(dá)、遙測(cè)等領(lǐng)域。由于使用環(huán)境較為特殊，矩形管不僅在形狀和尺寸精度方面有很高的要求，在內(nèi)表面質(zhì)量方面更有著嚴(yán)苛的限定，制備難度相當(dāng)大。國(guó)內(nèi)目前的研究進(jìn)展僅能夠通過(guò)冷拉拔成形制得形狀和尺寸精度符合要求的矩形管，而管材的內(nèi)表面粗糙度仍無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。所以有必要對(duì)塑性變形過(guò)程中的表面形貌演化機(jī)理進(jìn)行深入剖析，以實(shí)現(xiàn)塑性變形工件表面質(zhì)量的控制。擬采用三維多晶體有限元計(jì)算

2、與工藝試驗(yàn)相結(jié)合的方法，基于典型應(yīng)變路徑定量描述材料微觀參數(shù)對(duì)表面形貌演變的影響。由于拉拔過(guò)程中材料受力情況復(fù)雜，不便于分析單個(gè)參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響，因此本文考慮從簡(jiǎn)單的變形路徑入手，分析變形過(guò)程中表面粗糙度的變化規(guī)律。
　　本文首先開(kāi)展了冷軋與再結(jié)晶退火等工藝試驗(yàn)，得到不同條件下6061鋁合金微觀參數(shù)與力學(xué)性能的變化規(guī)律；然后基于晶體塑性理論和多晶體材料細(xì)觀有限元分析模型，采用細(xì)觀有限元分析與拉伸實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，研究了材

3、料初始表面粗糙度、初始晶粒尺寸以及初始晶體學(xué)取向等參數(shù)對(duì)單向拉伸變形過(guò)程中表面粗糙度演變的影響。本文的主要研究工作如下：
　　1）對(duì)6061鋁合金板材進(jìn)行不同冷變形量的軋制實(shí)驗(yàn)，研究合金軋制變形組織的變化以及軋制織構(gòu)的演變規(guī)律，并分析不同冷變形量對(duì)鋁板力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨著冷軋變形量的增加，板材中的立方織構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)化而減少，β纖維織構(gòu)得到發(fā)展；軋制過(guò)程中合金的強(qiáng)度、硬度增加，而延伸率逐漸降低。
　　2）對(duì)冷變形6061

4、鋁板進(jìn)行不同加熱溫度和保溫時(shí)間的再結(jié)晶退火處理，研究合金再結(jié)晶組織、再結(jié)晶織構(gòu)以及力學(xué)性能的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，冷變形量越大，退火組織的平均晶粒尺寸越小；退火溫度越高，形核率以及晶核生長(zhǎng)速率越高，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力越大；隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)，再結(jié)晶進(jìn)行得越充分，生成晶粒均勻而粗大的微觀組織。退火后主要生成高強(qiáng)度的立方織構(gòu)和旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)，與加熱溫度和冷變形量相比，退火時(shí)間對(duì)合金織構(gòu)類(lèi)型及分布的影響更為顯著。此外，合金在固溶溫度以下退火后強(qiáng)度、硬度

5、降低，而延伸率明顯增加。
　　3）建立多晶體材料單向拉伸條件下的三維細(xì)觀有限元模型，并確定細(xì)觀分析模型的尺寸。發(fā)現(xiàn)隨著細(xì)觀分析模型尺寸的增加，拉伸變形后自由表面的粗糙度先增加而后趨于穩(wěn)定。小尺寸的模型在拉伸變形過(guò)程中晶粒變形不均勻，這是由模型中晶粒個(gè)數(shù)過(guò)少導(dǎo)致。
　　4）文中基于單向拉伸變形，對(duì)不同初始表面粗糙度和初始晶粒尺寸的細(xì)觀模型進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。結(jié)果顯示，塑性變形后的表面形貌可近似地分為兩個(gè)部分：一部分為非均勻變形

6、的結(jié)果（粗化表面形貌），另一部分為均勻變形的結(jié)果（差值表面形貌）。初始表面粗糙度使自由表面的粗化率（dSq/dε）降低，晶粒間取向差和其他因素所導(dǎo)致的非均勻變形對(duì)表面粗糙度演變的影響隨初始表面粗糙度的增大而降低。此外，沿不同方向的晶粒尺寸變化會(huì)對(duì)變形后的表面粗糙度產(chǎn)生不同程度的影響。
　　5）研究了不同初始取向和織構(gòu)類(lèi)型對(duì)拉伸變形過(guò)程中表面粗糙度演變的影響。結(jié)果表明，與織構(gòu)類(lèi)型相比，晶粒間取向差或者晶體取向不均勻分布是導(dǎo)致塑性變形

7、過(guò)程中表面粗糙化的更為關(guān)鍵的因素。
　　6）通過(guò)單向拉伸實(shí)驗(yàn)研究了變形過(guò)程中表面粗糙度的變化規(guī)律。對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者所得的表面粗糙度的變化趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了細(xì)觀分析模型和有限元模擬結(jié)果的可靠性。
　　針對(duì)鋁合金矩形管的高內(nèi)表面質(zhì)量要求，本文從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展入手，比較深入地研究了材料在實(shí)驗(yàn)前后的微觀參數(shù)及力學(xué)性能變化。然后基于實(shí)驗(yàn)研究，建立了多晶體材料細(xì)觀有限元模型，分析了塑性變形過(guò)程中多種參數(shù)對(duì)表面粗